Im Reich der Mikroben sind sie so etwas wie die Schwerindustriellen: Die magnetotaktischen Bakterien. Sie stellen in ihren Zellen magnetische Nanopartikel her, die sich im Zellinnern wie winzige Kompassnadeln an den Magnetfeldlinien der Erde ausrichten. Forscher des Potsdamer Max-Planck-Instituts f\u00fcr Kolloid- und Grenzfl\u00e4chenforschung haben nun die Magnetit-Produktion der Mikroben genauer unter die Lupe genommen. Dabei zeigte sich, wie die Einzeller die Herstellung der Mini-Magneten perfektioniert haben. Wie die Forscher im Fachblatt Journal of The Royal Society Interface (2011, Online-Vorabver\u00f6ffentlichung ) berichten, synthetisieren die Bakterien v\u00f6llig reinen und damit besonders magnetischen Magnetit. Gel\u00e4nge es Ingenieuren, diese Leistung nachzuahmen, k\u00f6nnten k\u00fcnstliche Nanopartikel entstehen, die sich etwa f\u00fcr die Suche nach Tumoren eignen w\u00fcrden.<\/b><\/p>\n
Bakterien bestehen aus nur einer Zelle. Um sich trotzdem in ihrem Lebensraum orientieren zu k\u00f6nnen, haben die Mikroben in der Evolution eine Reihe unterschiedliche Strategien herausgebildet. Einen echten Kompass haben dabei die Bakterien der im Wasser lebenden Gattung Magnetospirillum entwickelt: In ihrem Zellinnern besitzen sie spezielle Organellen, die Magnetosomen. Die Magnetosomen bestehen aus Magnetit-Nanoteilchen, die von einer Membran umh\u00fcllt sind. Etwa 20 dieser Teilchen reihen sich in einer Mikrobe entlang von Proteinfasern nadelf\u00f6rmig aneinander. Sie richten die Bakterien entlang der Feldlinien des Erdmagnetfeldes aus, die au\u00dferhalb der \u00c4quatorregion schr\u00e4g nach unten weisen. Schl\u00e4gt ein magnetotaktisches Bakterium nun mit seiner Gei\u00dfel, bewegt es sich entlang der Linien zielsicher zum Grund eines Gew\u00e4ssers, wo es f\u00fcr seine Ern\u00e4hrung ideale sauerstoffarme Bedingungen vorfindet.<\/p>\n
Mini-Magneten sind durch Membranh\u00fclle gesch\u00fctzt<\/b>
Materialwissenschaftler interessieren sich insbesondere f\u00fcr die Beschaffenheit und die Herstellung der mikrobiellen Wegweiser. Die Magnetosomen sind mit Magnetit (Fe3O4) gef\u00fcllt, einem Mineral aus Eisen und Sauerstoff. Die Potsdamer Arbeitsgruppe um Damien Faivre vom Max-Planck-Institut f\u00fcr Kolloid- und Grenzfl\u00e4chenforschung hat nun festgestellt, dass die Bakterien besonders reinen Magnetit ohne Verunreinigungen produzieren. Damit stellen sie jede k\u00fcnstliche Laborherstellung des Stoffs weit in den Schatten. Der Trick: Die Mikroben schaffen schon zu Beginn der Biomineralisierung eines Nanopartikels innerhalb der Membranbl\u00e4schen spezielle Bedingungen f\u00fcr das Kristallwachstum. <\/p>\n
Im Vergleich zu dem neutralen pH-Wert von sieben in der Zelle, ist Magnetit in einer basischen Umgebung von pH zehn und bei einer leicht negativen Spannung von minus 0,5 Volt thermodynamisch am stabilsten. Zus\u00e4tzlich sch\u00fctzen die Einzeller ihre Partikel offenbar vor dem Zerfall, denn Magnetit oxidiert bei Anwesenheit von Sauerstoff relativ schnell zu dem Mineral Maghemit. “Der Aufwand lohnt sich f\u00fcr die Bakterien” sagt Damien Faivre. Mit reinen Magnetitteilchen funktioniere die Kompassnadel besser als mit Teilchen, die auch Maghemit enthalten. Denn das magnetische Moment von Magnetit ist gr\u00f6\u00dfer als das von Maghemit. “Daher optimieren die Einzeller die Funktion ihrer Wegweiser schon beim Kristallwachstum.”<\/p>\n
Magnetit in Reinstform<\/b>
Faivre und Kollegen r\u00e4umen damit einen lange diskutierten Streitpunkt aus. Denn in Fachkreisen herrschte Unklarheit dar\u00fcber, wie rein die von magnetotaktischen Bakterien produzierten Magnetit-Kristalle wirklich sind. Bisher dominierte die Annahme, dass auch die Bakterien nur eine Mischung aus beiden Mineralien erzeugen. Um die genaue Struktur regelm\u00e4\u00dfig aufgebauter Materie wie Kristalle zu untersuchen, setzten Faivre und seine Kollegen auf die Methode der R\u00f6ntgenbeugung. Dazu nutzen die Forscher f\u00fcr ihre Untersuchungen die R\u00f6ntgenstrahlung aus der Berliner Synchrotronquelle Bessy II. Faivres Team durchleuchtete Zellen der Bakterienarten Magnetospirillum gryphiswaldense<\/i> und Magnetospirillum magneticum<\/i>. Zudem analysierten sie auch isolierte Magnetosomen mit intakter Membran sowie Magnetitpartikel ohne Membranh\u00fclle. Dabei stellte sich heraus, dass die Partikel in intakten Zellen Eigenschaften aufweisen, die ziemlich genau dem Literaturwert f\u00fcr stofflich reinen Magnetit entsprechen.<\/p>\n
Wie genau den Einzellern dieses Kunstst\u00fcck gelingt, ist noch unklar. “Bei der Erzeugung geeigneter Produktionsbedingungen spielen m\u00f6glicherweise Protonentransportmolek\u00fcle eine Rolle, die in die Membranen eines Magnetosoms eingebettet sind”, vermutet Damien Faivre. Diese Proteine bringen m\u00f6glicherweise geladene Teilchen in das Organell hinein oder aus ihm heraus, damit sich ein bestimmter pH-Wert und die notwendige elektrische Spannung einstellen.<\/p>\n
“Nun wollen wir genau diese Mechanismen identifizieren, damit wir die Perfektion der Bakterien im Labor nachahmen k\u00f6nnen”, beschreibt Faivre sein n\u00e4chstes Etappenziel. Am Ende der Forschung k\u00f6nnte dann die industrielle Herstellung optimaler magnetischer Nanopartikel stehen. F\u00fcr den Einsatz in der Medizin m\u00fcssen die Partikel allerdings unbedingt eine einheitliche Gr\u00f6\u00dfe und Form besitzen. Auch hier hapert es in den Laboren noch, und auch hier sind die Bakterien bislang ungeschlagen: Je nach Art produzieren sie kugelf\u00f6rmige oder l\u00e4ngliche Nanopartikel in erstaunlich konstanter Gr\u00f6\u00dfe und Form. Erreichen die Forscher auch dieses Ziel, w\u00fcrden sich vielf\u00e4ltige Einsatzm\u00f6glichkeiten f\u00fcr die k\u00fcnstlichen Nanopartikel ergeben. “Man k\u00f6nnte sie als Kontrastmittel bei der diagnostischen Magnetresonanztomografie verwenden”, nennt Faivre ein Beispiel. Nach Ansicht der Forscher eignen sich Magnetit-Partikel aber auch als Transportvehikel f\u00fcr Medikamente.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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